Dotykowe panele i ekrany operatorskie (w skrócie ekrany dotykowe) stają się coraz bardziej popularnym sposobem komunikacji człowieka z urządzeniem. Coraz niższa cena powoduje, że w większości nawet najprostszych aplikacji pulpity te właściwie wyparły dotychczasowy sposób obsługi urządzenia za pomocą przycisków i kontrolek. Za użyciem tego typu pulpitów przemawiają dodatkowo możliwość bardzo elastycznej i szybkiej konfiguracji, co pozwala w tani sposób dostosować urządzenie do indywidualnych potrzeb klienta, dzięki czemu staje się ono bardziej konkurencyjne
RYS. 1 Budowa komputera panelowego z aktywną matrycą [3]
Graficzne ekrany dotykowe to jeden z bardziej intuicyjnych sposobów obsługi urządzeń. Umożliwiają wyświetlenie zdjęć i schematów obsługiwanych systemów lub komunikatów informujących o ich stanie. Podają również informację o awariach i alarmach. Ponadto panele dotykowe w coraz większym stopniu zaczynają dominować w branży komputerowej – komputery panelowe to szczególna grupa komputerów, które wyróżniają się kompaktową konstrukcją i integracją wszystkich elementów systemu – jednostki głównej, wyświetlacza, a także układów interfejsowych w jednej zwartej obudowie. Systematyczny rozwój jednostek procesorowych oraz zastosowanie lepszych systemów operacyjnych powoduje, że komputery stają się narzędziami coraz bardziej wydajnymi. Rozwój technologii płaskich wyświetlaczy TFT przyczynił się w ostatnich latach do widocznego polepszenia jakości wyświetlanego obrazu i znaczącej redukcji cen urządzeń w takie wyświetlacze wyposażonych. Przyczyny te powodują, iż komputery panelowe coraz chętniej są stosowane w aplikacjach przemysłowych i stały się poważną alternatywą dla tradycyjnych terminali operatorskich i paneli dotykowych.
Trochę teorii
Typowy komputer panelowy zbudowany jest na płycie chassis, do której z jednej strony przymocowany jest wyświetlacz ciekłokrystaliczny wraz z ekranem dotykowym (stanowiący jedną ściankę urządzenia) – natomiast z drugiej strony: specjalizowana płyta główna, przetwornice zasilające i układy interfejsowe. Płyta chassis ma pierwszorzędne znaczenie dla wytrzymałości całego komputera, gdyż od niej zależy sztywność obudowy, a za tym idzie odporność na wibracje. Jej kształt jest zwykle optymalizowany pod kątem maksymalnej sztywności, właściwego obiegu powietrza pozwalającego na dobre chłodzenie jednostki głównej i możliwóść „gęstego upakowania” poszczególnych podzespołów. Ważna jest także sama konstrukcja płyty głównej, przy projektowaniu której kładzie się nacisk na minimalizację liczby połączeń zewnętrznych i zmniejszenie gabarytów, a co za tym idzie – zwiększenie odporności na wibracje.
Elementy „specjalnej troski” (takie jak np. dyski twarde) są zastępowane przez dyski elektroniczne (nieulotne pamięci typu Flash) lub specjalnej konstrukcji dyski twarde 2,5˝. W każdym przypadku elementy wrażliwe na drgania są mocowane za pomocą elastycznych połączeń i amortyzatorów. Konstrukcja obudowywana jest od tyłu pokrywą, zaś od przodu ozdobną maskownicą – wykonaną z plastiku, stali nierdzewnej lub stopu Al-Mg.
Konstrukcja obudowy musi spełniać określone warunki wytrzymałości na narażenie środowiskowe.
Podstawowym parametrem określającym stopień ochrony obudowy jest wskaźnik IP. Większość obudów komputerów przemysłowych zapewnia stopień ochrony IP-65 od przodu obudowy. Wysoką szczelność obudowy łatwiej uzyskać w sytuacji, gdy moc tracona wewnątrz obudowy jest mała [3].
Ekran dotykowy jest bardzo ważnym elementem komputera panelowego, bowiem komputer taki nie ma wbudowanej klawiatury. Wprawdzie w większości rozwiązań można podłączyć klawiaturę poprzez interfejs PS/2 lub USB, jednak nie zawsze jest to rozwiązanie ergonomiczne. Ekran dotykowy pozwala na wykorzystanie przejrzystych, dynamicznie zmieniających się interfejsów użytkownika. W zależności od wymagań stosowane są różne typy ekranów dotykowych. Najczęściej spotykane ekrany w komputerach panelowych to rezystancyjne: 4-, 5- lub 6-przewodowe.
Ekrany dotykowe zapewniają szybki dostęp do systemów komputerowych bez pośrednictwa interfejsu tekstowego. Są produkowane ze szkła lub podobnego materiału o utwardzonej powierzchni. Wykazują dużą odporność na kurz, pył, tłuszcze i ciecze. Są na tyle wytrzymałe, że potrafią sprostać nawet bardzo trudnym warunkom środowiskowym. Ekran dotykowy jest z natury prostym w użyciu interfejsem, redukuje czas szkolenia – tym samym zmniejszając koszty wdrożenia. Na rys. 2. przedstawiony jest główny podział ekranów i paneli dotykowych.
RYS. 2 Ogólny podział paneli i ekranów dotykowych [1]
Panele rezystancyjne
Występują trzy główne rozwiązania: czteroprzewodowe (4-wire), pięcioprzewodowe (5-wire) i ośmioprzewodowe (8-wire). Czujnik czteroprzewodowy składa się ze sztywnego podłoża pokrytego warstwą oporową ITO (związek indu, cyny i tlenu) oraz elastycznej membrany, również pokrytej warstwą ITO (na rys. 3. przedstawiony jest schemat działania panelu rezystancyjnego). Podłoże i membrana przy braku nacisku nie stykają się. W momencie dotknięcia obwód zostaje zamknięty. Sterownik mierzy wówczas oporności między dwoma przeciwległymi krańcami podłoża, wykorzystując membranę jako próbnik, a następnie – rozkład oporności na membranie w kierunku prostopadłym do poprzedniego, używając podłoża jako próbnika (rys. 4.).
RYS. 3 Schemat działania panelu rezystancyjnego [1]
RYS. 4 Schemat rozkładu oporności [1]
Porównanie stosunków oporności pozwala określić współrzędne punktu dotknięcia. W wersji pięcioprzewodowej rolę próbnika pełni zawsze membrana, a pomiar rozkładu oporności dokonywany jest zawsze na podłożu.
Panele pojemnościowe
Podłoże paneli pojemnościowych pokryte jest warstwą ITO, jednak zamiast elastycznej membrany (jak w panelu rezystancyjnym) wykorzystywana jest sztywna, nieprzewodząca warstwa ochronna (np. szklana płytka). Za pomocą położonych w rogach ekranu elektrod w podłożu wytwarzane jest zmienne pole elektryczne (rys. 5.).
RYS. 5 Model ekranu pojemnościowego [1]
Po dotknięciu ekranu palcem lub przewodzącym rysikiem sterownik mierzy wartości prądu upływającego z każdej z elektrod i porównując te wartości określa miejsce dotknięcia. Rozwiązanie to nazywane bywa „pojemnością palca”.
Panele SAW
Ekrany dotykowe z falą akustyczną (SAW – Surface Acoustic Wave) charakteryzują się dużą wytrzymałością i bardzo ciekawą zasadą działania. Ultradźwięki o częstotliwości rzędu 5 MHz, wytwarzane przez elementy piezoelektryczne umieszczone na sąsiadujących ze sobą krawędziach lub narożnikach ekranu, rozchodzą się w szklanym pokryciu ekranu, po czym odbijają się od znajdujących się na przeciwległych krawędziach płytki elementów zwanych reflektorami i podróżują z powrotem do piezoelektryków pełniących rolę czujników. Dotknięcie powierzchni płytki powoduje zaburzenie rozchodzenia się fali i częściowe pochłonięcie energii – określenie punktu dotknięcia dokonywane jest przez pomiar czasu powrotu sygnału (rys. 6.).
RYS. 6 Schemat panelu typu SAW [1]
Zaletą czujników akustycznych jest możliwość określenia również siły nacisku – wraz ze wzrostem siły nacisku rośnie tłumienie fali.
Nakładki
Inną metodą przystosowania monitora do roli monitora dotykowego jest zastosowanie nakładki dotykowej. Wbudowane nakładki na monitory LCD a także CRT, umożliwiające sterowanie kursorem bezpośrednio z ekranu z pominięciem klawiatury i myszy, umożliwiają szybszy i łatwiejszy dostęp do komputerowych programów sprzedaży, takich jak Gasto POS, aplikacji internetowych i całego środowiska Windows.
Zastosowanie paneli oraz ekranów dotykowych
Monitory dotykowe mają zastosowanie głównie w punktach obsługi klienta lub firmach specjalistycznych z odpowiednim oprogramowaniem. Monitory te często spotykamy w restauracjach lub sklepach jako stanowiska POS. Za pomocą panelu dotykowego umieszczonego na ekranie monitora możemy wykonywać wszystkie operacje, które wykonujemy myszką lub klawiaturą. Na rynku jest coraz więcej oprogramowania użytkowego (dla restauracji, sklepów, laboratoriów itp.) przystosowanego głównie do paneli dotykowych. Monitor dotykowy idealnie zastępuje tradycyjną mysz również podczas używania komputera w domu. Możemy jednym ruchem ręki wskazać na monitorze interesujący nas plik lub link, po czym komputer uruchomi nam po dotknięciu palcem monitora odpowiednie polecenie.
Panele dotykowe, a systemy operacyjne
Bardzo ważny jest też właściwy dobór systemu operacyjnego do sprzętu i aplikacji. W zależności od wymagań stosuje się klasyczne systemy Windows, Windows Embedded lub systemy czasu rzeczywistego, np.: QNX, Phoenix, RT-Linux, Windows CE.
System Windows XP Embedded – z racji skrojenia jakby „na miarę” dokładnie do wymagań komputera i aplikacji – jest szczególnie interesujący. XP Embedded na dysku zajmuje stosunkowo niedużo miejsca (120–150 MB) i można go umieścić w pamięci typu flash (SSD), co pozwala wyeliminować dysk twardy. Jest to szczególnie korzystne w środowisku przemysłowym.
W mniejszych aplikacjach wizualizacji i sterowania coraz częściej wykorzystuje się system Windows CE, który pozwala na określenie determinizmu czasowego; jest nieduży i pracuje również na procesorach RISC. Generalnie systemy czasu rzeczywistego wykorzystuje się w aplikacjach sterowania, gdzie ważny jest wspomniany determinizm czasowy (tj. odpowiedź układu sterowania musi zostać wypracowana w czasie krótszym niż określony).
W aplikacjach krytycznych – ze względu na pierwszorzędność bezpieczeństwa procesu – wykorzystuje się systemy operacyjne, w których stosowane są specjalne mechanizmy separowania zadań krytycznych (sterowanie) od niekrytycznych (np.: wizualizacja), tak aby jeden proces nie mógł zakłócić pracy drugiego.
Przemysłowe zastosowanie paneli i ekranów dotykowych
Panele dotykowe wykorzystywane są w bardzo szerokiej gamie maszyn w bardzo wielu branżach. Typowymi zastosowaniami paneli dwuręcznych (bezpieczeństwa) są:
-
prasy w przemyśle metalowym, metalurgii proszków itp.,
-
maszyny drukujące oraz do przetwórstwa papieru,
-
stanowiska wiertarskie i tym podobne obrabiarki,
-
maszyny w przemyśle chemicznym,
-
maszyny do obróbki gumy, kauczuku, tworzyw sztucznych itp.,
-
przemysł spożywczy…
Panele dotykowe znalazły zastosowanie w sterowaniu z różnych względów. Powodów jest bardzo dużo, ale do najważniejszych można zaliczyć m.in.:
-
ochronę ludzi podczas uruchamiania i pracy maszyn,
-
szybkie reagowanie systemu na nieprawidłowości pojawiające się w czasie procesu,
-
bezawaryjne oraz szybkie wdrażanie nowych systemów sterujących,
-
możliwość ciągłego monitorowania poszczególnych etapów, np. produkcji,
-
łatwość zastosowania do różnych systemów automatyki.
Ponadto wbudowanie w nie działającej aplikacji nie jest obecnie skomplikowane i nie wymaga znajomości jakiegokolwiek języka programowania. Często sprowadza się do umieszczenia odpowiednich kontrolek na ekranie oraz przypisania im odpowiedniej funkcji. Napisanie makra wymaga już poznania kilku komend, ale jest bardzo intuicyjne i nie sprawi trudności osobom mającym do czynienia z językami strukturalnymi, takimi jak Basic lub Pascal. W trakcie tworzenia aplikacji istnieje możliwość sprawdzenia jej w trybie symulacyjnym na ekranie komputera, co pozwala w prosty sposób wychwycić ewentualne błędy. W pulpicie można zdefiniować około tysiąca okien bazowych oraz stworzyć tzw. okienka pop-up, służące do jednoczesnego wyświetlania i pobierania wielu różnych informacji na jednym ekranie. Okna mogą być tak skonfigurowane, aby można było je minimalizować i przenosić. Standardem w takich urządzeniach jest przedstawianie danych procesowych za pomocą: trendów, wykresów słupkowych, kontrolek pomiarowych i wartości ujętych w różnorodnych graficznych komponentach. Istnieje również możliwość tworzenia animacji oraz definiowania receptur, a także definiowania komend w 4 językach.
Pulpitów dotykowych można używać w pozycji poziomej lub pionowej, co definiowane jest na etapie tworzenia projektu.
I co dalej?
Dzięki zastosowaniu technologii wizualizacji danych można spotkać chyba wszędzie urządzenia oparte na ekranach dotykowych. Zaletami tych urządzeń są min.: małe wymiary urządzenia, brak klawiatury i myszki, możliwość zdalnego łączenia się z Internetem oraz chyba najważniejsza rzecz: oszczędność czasu. Jak przedstawiono powyżej, ekrany dotykowe znalazły z dużym powodzeniem zastosowanie w najróżniejszych dziedzinach codziennego życia.
Z kolei w zakładach przemysłowych wyparły one stare pulpity sterownicze z dużą ilością przycisków, lampek kontrolnych oraz potencjometrów. Obecnie stosowane ekrany dotykowe, są odporne na zanieczyszczenia w postaci kurzu i wody, co jest dużą zaletą w porównaniu z „przyciskowymi panelami sterującymi”. Ponadto nowoczesne panele dotykowe mają dużo mniejsze wymiary gabarytowe. Inną zaletą jest to, że bez problemów można jest wpiąć w sieć wewnętrzną zakładu i zdalnie kierować pracą urządzenia bez konieczności osobistego przełączania funkcji.
Zastosowanie paneli dotykowych zarówno w przemyśle, jak i w budynkach użyteczności publicznej stało się faktem. Bez tych urządzeń załatwienie naszych codziennych spraw trwało by dłużej. Sterowanie urządzeniami technicznymi nie byłoby tak sprawne jak dzisiaj.
Tak czy inaczej postęp techniczny jest potrzebny ludzkości jak woda gasząca pragnienie…
Literatura:
http://www.wientek.pl/
Smolarczyk H., Sadowski M.: Komputery panelowe w ofercie firmy Elmak. „Automatyka” 1998
Autor: TEKST: PAWEŁ LONKWIC RYSUNKI: RYSZARD RYBARCZYK
